專利名稱：電力變換裝置的制作方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及例如向電機等供給電力的電力變換裝置的技術(shù)。
背景技術(shù)：
在電力變換裝置中，由于含有進行電力變換的IGBT和二極管等的動力元件半導體元件通常產(chǎn)生大量的熱，所以在具有散熱片的散熱部上，通過風扇進行吸氣、排氣，利用強制空氣冷卻進行散熱。
然而，利用上述風扇和散熱部不能充分散熱，框體內(nèi)部的溫度升高，使得上述作為動力元件半導體元件以外的元件的溫度升高。
特別是，CPU等控制用的半導體元件，與動力元件半導體等比較，保證正常工作的溫度(以下稱這個溫度為動作保證溫度)低，因此當高溫時，耐久壽命縮短，隨著溫度升高，由于熱散逸等原因，有時不能進行正常的控制。
一般，當超過大約150℃時，半導體元件會被破壞，因此，在上述CPU等的半導體元件中，應設法有效地散熱。這點，在特開平7-95771號公報中作了說明。
在特開平7-95771號公報中公開了通過冷卻電力用半導體裝置的冷卻風扇的冷卻作用，使電力用半導體裝置以外的低溫使用品也冷卻的技術(shù)。
然而，上述特開平7-95771號公報中記載的技術(shù)，雖然是利用冷卻風扇強制空氣冷卻電力用半導體裝置或作為動力元件半導體以外的低溫使用品或CPU等，但是整個裝置結(jié)構(gòu)復雜，裝置本身尺寸大。例如，使用隔板在框體內(nèi)分別配置電力用半導體裝置和低溫使用品，則由于要設置強制空氣冷卻的空氣流通路的空間，裝置的尺寸增大。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的任務是考慮減小裝置的尺寸，同時進行裝置、框體內(nèi)部的散熱。
本發(fā)明如下所述地解決上述問題。
將發(fā)熱多的元件和基板等，與發(fā)熱少的元件和基板等配置在同一個框體內(nèi)。
通過將發(fā)熱多的半導體元件、組件或基板，與發(fā)熱比較少的半導體元件、組件或基板配置在同一個框體內(nèi)，可以使整個裝置尺寸減小。并且，通過將上述發(fā)熱多的半導體元件、組件或基板與上述發(fā)熱較少的半導體元件、組件或基板分別放置在不同的基板上，可以防止熱從發(fā)熱多的一方傳至發(fā)熱較少的一方。
并且，在框體中設置使發(fā)熱多的元件和基板等與發(fā)熱少的元件和基板等的熱放出的氣體流動的導向部。
在框體中設置將發(fā)熱多的基板和發(fā)熱較少的基板等周邊的氣體，引導向著在散熱部中吸收氣體的面(以下稱這個面為吸氣面)的導向部。通過該導向部，可將發(fā)熱多的基板和發(fā)熱較少的基板等周邊的氣體，從利用風扇的工作而將通過上述散熱部的氣體排放的面(以下稱這個面為排氣面)排出并散熱。
并且，使來自發(fā)熱多的基板的氣體，不流入發(fā)熱較少的基板。
當利用上述導向部進行的風扇的強制空氣冷卻時，為了不使發(fā)熱多的基板的加熱氣體流向發(fā)熱較少的基板，導致發(fā)熱少的基板變溫熱，例如將發(fā)熱多的基板比發(fā)熱較少的基板配置得更靠近風扇的位置。或者，將發(fā)熱多的基板比發(fā)熱較少的基板配置在更接近上述吸氣面的位置。
通過在框體中設置上述導向部，即使不設置新的散熱用風扇，而利用已有的風扇，也可以排出發(fā)熱多的基板和發(fā)熱較少的基板等周邊的氣體從而散熱，可以減少溫度升高。


圖1為本發(fā)明的實施例的示意圖；圖2為本發(fā)明的實施例(從側(cè)面看的實施例的圖)；圖3為本發(fā)明的實施例(從進深方向看的圖)；圖4為模擬特性圖；圖4(a)為表示使用高風量式冷卻風扇，改變導向部的縱向長度情況下的模擬特性圖；圖4(b)表示使用靜態(tài)穩(wěn)定式冷卻風扇，改變冷卻散熱片和導向部的縱向長度情況下的模擬特性圖；圖5為使用靜態(tài)穩(wěn)定式冷卻風扇，改變冷卻散熱片和導向部的間隙距離情況下的模擬特性圖；圖6為使用靜態(tài)穩(wěn)定式冷卻風扇，改變冷卻散熱片和導向部的間隙距離情況下的其它模擬特性圖；圖7為現(xiàn)有裝置與本發(fā)明裝置的實測結(jié)果比較表；圖8為本發(fā)明的另一個實施例。
具體實施例方式
圖1為本發(fā)明的實施例的示意圖，它表示在將電力變換裝置安裝在設備的壁等的安裝面上的狀態(tài)下，從側(cè)面看的側(cè)視圖。圖2表示在制品中實施的情況下的實施例的側(cè)視圖。(但是，圖2中的向左，在實際安裝時為向上)。
在圖1中，電力變換裝置具有散熱部4，冷卻風扇5，密封件7，IGBT或二極管等動力元件半導體8，金屬基板9，裝置的殼體(一般，殼體稱為框體)10，裝在裝置內(nèi)的基板11，散熱部4的基座20，供散熱部4散熱的散熱片21，以及MCU(稱為Micro Controla Unit，包含CPU的半導體芯片等)等半導體22。一般，作為動力元件半導體8相當于發(fā)熱多的半導體元件和基板，發(fā)熱較少的半導體元件和基板，制成上述MCU(稱為Micro Controla Unit，包含CPU的半導體芯片等)等半導體22。以下，根據(jù)這點進行說明。
在框體10中設有導向部19，它可以吸入空氣，使通過動力元件半導體8的上面，將動力元件半導體8的熱進行冷卻的空氣流動。
首先，散熱部4由基座20和散熱片21構(gòu)成(圖3中表示從另外的角度看的結(jié)構(gòu)圖)?；?0為接受來自發(fā)熱體的熱傳導的部分，散熱片21從基座20接受熱傳導，向周圍的空氣傳熱散熱。
然后，將IGBT或者二極管等動力元件半導體8放置在金屬基板9上，一般利用密封件7(該密封件又稱為樹脂)密封。
在上述電力變換裝置中，在IGBT、二極管等動力元件半導體8中，由變換損失產(chǎn)生的熱大部分傳至散熱部4的基座20。
在散熱部4中，從圖1所示的吸氣面吸入的周邊大氣中的空氣等氣體，利用安裝在排氣面上的冷卻風扇5，被排出至周邊大氣中。上述吸入的空氣等氣體通過散熱片21時，上述吸入的氣體奪取傳至散熱部4的散熱片21等上的熱，再排至周邊的大氣中，進行散熱部4的散熱。
另一方面，如圖1所示，從動力元件半導體8等向著框體內(nèi)部放出的熱，通過設在框體10中的導向部19，利用由冷卻風扇5產(chǎn)生的風的一部分，進行強制空氣冷卻。
如圖1所示，在本實施例中，在同一個框體內(nèi)配置包含動力元件半導體8的基板，和包含MCU等半導體22的基板，因此可以減小裝置的尺寸。
然而，由于動力元件半導體8散發(fā)相當大量的熱，當上述強制空氣冷卻時，當由動力元件半導體8加熱的氣體流入包含MCU等半導體22的基板時，變得溫熱，結(jié)果，使MCU等半導體22的溫度升高。
因此，在安裝允許的范圍內(nèi)，使包含動力元件半導體8的基板，與包含MCU等半導體22的基板分離配置。另外，使包含動力元件半導體8的基板位置比包含MCU等半導體22的基板位于作為強制空氣冷卻時的氣體流動的所謂風下游的位置。因此，如圖1所示，將包含動力元件半導體8的基板比包含MCU等半導體22的基板配置在更靠近散熱部4的吸氣面附近的位置。
這種配置可以防止動力元件半導體8加熱的氣體進入包含MCU等半導體22的基板，導致溫度升高。
另外，上述配置不限于各個基板位置，在基板上也可以設法將動力元件半導體8本身配置在更靠近吸氣面的位置。
其次，圖3表示在散熱部4的制品中，從進深方向看的圖。
如圖3所示，散熱部4具有基座20和散熱片21，從吸氣面吸入的氣體通過散熱片21。
又如圖3所示，后述的散熱部4的高度H，為至散熱片21在基座20上的安裝位置的長度。
圖4表示在圖1的實施例中的散熱部和導向部重疊的縱向長度，通過模擬驗證的結(jié)果。圖4中表示散熱部4上的溫度，密封件7上的溫度和MCU22(包含CPU的半導體芯片等)上的溫度。又由于動力元件半導體8用密封件7密封，因此，測定的溫度也是密封件7的溫度。因此，以下用密封件7的溫度代替動力元件半導體8的溫度進行說明。
首先，圖4(a)的模擬條件如下所示。
(1)周圍溫度為35℃；(2)模擬溫度為散熱部14上的溫度，密封件16上的溫度和MCU22上的溫度。
(3)散熱部和導向部的間隙距離定為10mm。
(4)改變散熱部和導向部重疊的縱向長度，進行模擬。
(5)使用的冷卻風扇一般稱為高風量式的。
在圖4(a)中，縱軸表示散熱部、MCU和密封件的溫度；橫軸表示散熱部和導向部重疊的縱向長度。散熱部的高度為50mm。
另外，在上述(5)中，所謂高風量式的風扇，是指在工業(yè)用制品中使用的、盡管冷卻風扇的聲音大可該聲音不會成為問題的環(huán)境中使用的類型。
另外，圖4(b)在與圖4(a)相同的模擬中，在條件(5)中使用的冷卻風扇，一般稱為靜態(tài)穩(wěn)定式。
所謂靜態(tài)穩(wěn)定式是指在辦公室或家庭等使用的制品中的、在冷卻風扇的聲音大的情況下，由于人的聽覺上感到不舒服，因此在需要靜態(tài)穩(wěn)定的情況下使用的類型。
從圖4(a)、(b)可看出，僅通過設置導向部，密封件上的溫度即可降低。另外，散熱部和導向部重疊的縱向長度，與散熱部的長度大致相同，因此，密封件上的溫度降低。但是，當導向部的縱向比散熱部的長度長時，密封件、散熱部、MCU的溫度都升高。因此，可判斷，導向部的縱向比散熱部的長度長時，對溫度升高無效果。
因此，從這些結(jié)果可看出，為了減少密封件上的溫度升高，首先，應使導向部的重疊的縱向長度與散熱部的長度大致相同。這樣，一般，相對于散熱部的高度，導向部的縱向長度K，可以下式(1)表示。
K≤H (1)式中H表示散熱部具有的散熱片的高度(散熱片21至基座20的安裝位置的長度，參照圖3)。
這里，再次說明，K為散熱部和導向部重疊的縱向長度。如換一種表述，則K為導向部與散熱部重復部分的長度。
另外，圖4(a)、(b)中記載的“開放”表示不設置導向部。
又如上所述，當半導體元件超過大致150℃時，一般會被破壞。由此可看出，為了使放置在散熱部上的半導體的溫度不超過150℃，應該考慮使用的環(huán)境溫度和條件。優(yōu)選散熱部的溫度不超過100℃。
從圖4(b)可看出，為了使散熱部的溫度不超過100℃，需要使導向部的縱向長度在30mm以下。一般，可用以下的式(2)表示。
K≤H*(3/5) (2)另外，在現(xiàn)有的裝置中，由于風與自然對流產(chǎn)生的流動的風方向相反地流動，使配置在風的流動下游部分上的基板上的MCU不受從密封件上放出的熱的影響，因此，溫度上升與在密封件上那樣，在散熱部和導向部的縱向長度與冷卻散熱片的長度大致相同之前，顯示MCU的溫度降低。
另外，圖5，圖6表示其它的模擬結(jié)果。在圖5和圖6的模擬中，以下所示模擬條件與圖4有區(qū)別，除此以外，與圖4相同。
(3)改變散熱部和導向部的間隙距離而進行模擬。
(4)使散熱部和導向部重疊的縱向長度定為15mm。
(5)使用的冷卻風扇一般稱為靜態(tài)穩(wěn)定式。
在圖5和圖6中，縱軸表示散熱部、MCU和密封件的溫度；橫軸表示散熱部和導向部的間隙距離。
從圖5中可看出，僅在散熱部和導向部之間設置間隙，即可使密封件上和MCU的溫度降低。當間隙在5～10mm以上時，密封件上和MCU的溫度上升的降低效果沒有大的變化。
另外，即使散熱部和導向部的間隙大小變化，在散熱部上的變化也少，即使通過設置導向部，散熱部的散熱效果也不會降低。
一方面保持風扇的驅(qū)動散熱部的本來的散熱功能，并且能得到散熱多的基板和散熱較少的基板等的散熱效果；另一方面在避免裝置尺寸增大這一點，應限制導向部的重復部分的面積。間隙也不是無限制地大，優(yōu)選為10mm左右。
另一方面，參照圖6可看出，散熱部和導向部之間的間隙從大約為2mm開始產(chǎn)生散熱效果。因此，散熱部和導向部之間的間隙至少需要在大約2mm以上。
圖7表示現(xiàn)有的裝置和以本實施例為基礎的裝置的實測比較。取本實施例的導向部的縱向長度為10mm，與導向部的距離為10mm，進行實測。從這個結(jié)果可看出，可以抑制散熱部的溫度升高，同時與以往比較，密封件的溫度升高降低了9.5℃，MCU的溫度升高降低了14.9℃。由于在MCU中安裝CPU等動作保證溫度比較低的半導體元件，因此，上述溫度升高的降低，有助于進行裝置的穩(wěn)定控制等。
這樣，通過設置導向部，可使MCU的溫度升高大幅度地降低。可得到以下的動作。
(1)通過對成為熱源的密封件的強制空氣冷卻，可降低密封件的溫度升高。
(2)密封件使變溫熱的氣體不流向MCU。
(3)進行MCU的強制空氣冷卻，使MCU的溫度升高降低。
僅通過設置導向部，上述實施例即可獲得這些效果。
圖8表示另一個實施例。
圖8為與圖2相同的實施例，所不同的是，在導向部19中設置傾斜部23，來自密封件、MCU等半導體的氣體，容易流至吸氣面。因此，根據(jù)流體的流動等，也可以將傾斜部23作成曲面，使流動更加容易。
如上述實施例那樣，通過具有適當?shù)纳岵亢蛯虿康闹丿B量和距離，可使框體的大小達到最適合，而且，即使不另外安裝促進冷卻用的機器，也可防止框體內(nèi)部的溫度升高。
因此，特別是如小型裝置那樣，適合于不另外配置冷卻風扇的裝置，可以得到有用的降低溫度升高的效果。
在上述實施例中，根據(jù)電力變換裝置的實施例進行說明。但是，不限于此。例如，根據(jù)動作，與發(fā)熱小的半導體元件、組件和基板等比較，在安裝具有發(fā)熱大的半導體元件、組件和基板等裝置時有用。
在這種情況下，采用本發(fā)明的實施例，將發(fā)熱小的半導體元件、組件和基板等安裝在第一基板上；另一方面，將發(fā)熱大的半導體元件、組件和基板等安裝在第二基板上。另外，將第一基板固定在僅離開第二基板規(guī)定長度的位置上。這樣，可以遮斷從發(fā)熱大的半導體元件等產(chǎn)生的熱傳導至安裝在第一基板上的半導體元件等上。
其次，通過將第二基板固定在具有散熱片的散熱部上，在散熱部上使用風扇進行強制空氣冷卻，放出從第二基板發(fā)出的熱。
另外，在框體中設有導向部，用于使上述第一基板和第二基板周邊的氣體，向著上述散熱部的吸氣面流動。當風扇動作時，利用該導向部，可以對上述第一基板和第二基板進行強制空氣冷卻。結(jié)果，不必設置新的風扇，即可以降低上述第一基板，第二基板和框體內(nèi)部的溫度升高。另外，在強制空氣冷卻時，將上述第二基板比第一基板配置在更接近風的下游。
通過將半導體的動作保證溫度比較低的半導體、CPU等的控制元件安裝在上述第一基板上，可以進一步得到降低溫度升高的效果。
現(xiàn)在再次說明在本發(fā)明的實施例中設置的導向部的工作。如圖1，圖2，圖4，圖5，圖6和圖8等所示，在上述實施例中，利用風扇將基板9，基板11等周邊的氣體排出。通過這種工作，將具有基板9，基板11等發(fā)出的熱的氣體排出，這些基板的熱也可以放出。這時，將導向部19設置在風扇排出散熱部的氣體的氣體流動，與排出上述基板9、基板11等周邊的氣體的氣體流動合流的位置上。
例如，設想在沒有圖1所示的導向部19的情況下，利用風扇5難以使基板9，基板11等的周邊氣體流向排出方向。風扇5排出通過散熱部4的氣體，進行散熱，對基板9和基板11等的周邊的氣體很難有影響。
另一方面，當如圖1所示那樣，設置導向部19時，在風扇5吸入來自散熱部4的吸氣面的氣體，從散熱部4的排氣面排氣時，有可能將基板9和基板11等周邊的氣體一起吸入。也可使導向部19與散熱部4的吸氣面的一部分重復地設置重復部來進行。
在上述實施例中，說明了該重復部的形狀和設置方法，但不限于此。如果利用風扇5吸入和排出基板9和基板11等周邊的氣體，則適當改變實施方式也可以。關于上述重復部，在設定基板9，基板11等周邊氣體流動空間的間隙大小和與散熱部的吸氣面重復的面積大小時，可以參考上述圖4，圖5，圖6所示的模擬結(jié)果等。
發(fā)明的效果采用本發(fā)明的實施例，可以改善配置在裝置內(nèi)部的電子零件或散熱部的溫度升高的降低對策。并且可以減小裝置的尺寸。
權(quán)利要求
1.一種電力變換裝置，具有回路基板；至少覆蓋所述回路基板的框體；從對氣體吸氣的吸氣面吸入氣體，從對氣體排氣的排氣面排出氣體、放出熱的散熱部；以及設在所述散熱部的排氣面上的風扇，其特征為，在所述框體中設置使所述回路基板的周邊的氣體向著所述吸氣面的導向部。
2.如權(quán)利要求1所述的電力變換裝置，其特征為，所述導向部與所述散熱部的重復部的長度K具有以下關系K≤H式中，所述H表示散熱部所具有的散熱片的高度，或者為散熱片的到達散熱部安裝位置的長度。
3.如權(quán)利要求1所述的電力變換裝置，其特征為，所述導向部與所述散熱部的重復部的長度K具有以下關系K≤H*(3/5)式中，所述H表示散熱部所具有的散熱片的高度，或者為散熱片的到達散熱部安裝位置的長度。
4.如權(quán)利要求1所述的電力變換裝置，其特征為，所述導向部和所述散熱部之間的間隙的大小為大于等于2mm。
5.如權(quán)利要求1所述的電力變換裝置，其特征為，將與所述電力變換基板接觸的氣體，從所述導向部導入所述散熱部的吸氣面。
6.一種電力變換裝置，具有第一基板和第二基板；至少覆蓋所述第一基板和所述第二基板的框體；將從吸氣面吸入的氣體從排氣面排出、放出熱的散熱部；以及設置在所述散熱部的排氣面上，使放出熱的氣體通過所述散熱部，從所述排氣面排出的風扇，其特征為，在所述框體中設置將與所述第一基板或所述第二基板接觸的氣體導入所述吸氣面的導向部。
7.如權(quán)利要求6所述的電力變換裝置，其特征為，將所述第二基板設置在比所述第一基板更靠近所述散熱部的吸氣面的位置上。
8.如權(quán)利要求6所述的電力變換裝置，其特征為，所述第一基板的動作保證溫度比所述第二基板的動作保證溫度低，所述第二基板是通過動作而散發(fā)出比所述第一基板多的熱的基板。
9.如權(quán)利要求6所述的電力變換裝置，其特征為，所述第一基板為具有控制所述電力變換裝置的控制回路的基板；所述第二基板為具有變換電力的回路的基板。
10.如權(quán)利要求6所述的電力變換裝置，其特征為，所述第二基板與所述散熱部連接固定，所述第一基板設置在離開所述第二基板規(guī)定長度的位置上。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種防止由向框體內(nèi)部散熱的動力元件產(chǎn)生的熱造成的溫度升高的裝置。在具有散熱部和冷卻風扇的框體中，相對于散熱部設有長出給定值的導向部。當利用上述導向部進行冷卻風扇的強制空氣冷卻時，不使發(fā)熱多的基板所加熱的氣體流入發(fā)熱較少的基板，導致發(fā)熱較少的基板溫熱。為此，將發(fā)熱多的基板配置在比發(fā)熱較少的基板更接近冷卻風扇的位置上?；蛘?，將發(fā)熱多的基板配置在比發(fā)熱較少的基板更接近上述吸氣面的位置上。通過在框體中設置上述的導向部，利用已有的冷卻風扇，可使發(fā)熱多的基板和發(fā)熱較少的基板等散熱，可以減少溫度升高。
文檔編號H05K7/20GK1578076SQ20041007094
公開日2005年2月9日 申請日期2004年7月16日 優(yōu)先權(quán)日2003年7月28日
發(fā)明者廣田雅之, 黃鳴曦, 井堀敏, 前野豐 申請人:日立工業(yè)設備系統(tǒng)株式會社